A fúziós atomerőművek fotonukleáris. sugárvédelmi aspektusai

Átírás

1 A fúziós atomerőművek fotonukleáris folyamatainak sugárvédelmi aspektusai Veres Árpád MTA Izotópkutató Intézet, H-1525 Budapest, P.O.B. 77

2 Az előadás témakörei 1. Fontosabb fénylézer fejlesztések 2. Fúziós plazmabezárási modellek 3. Lézerrel hajtott fúziós erőművek főbb egységei 4. Nukleáris folyamatok fúziós erőműi hatásai és sugárvédelmi aspektusaik

3 1. Fontosabb fénylézer fejlesztések Theodore Mainman Fénylézer Foton E: 1,5-3 ev Lev Rivlin: γ-lézer koncepció. Grézer Foton E: ev 3,6 ns 6, 0 h Két újítás forradalmasította a lézer alkalmazását: Lézerfény fókuszálása plazmába. Ez, a gyorsítótér gradiens nagymértékű növekedését eredményezte. 99 Tc kev Lézerimpulzus időtartamának nyújtása, összenyomása. Ez, a GWcm -2 intenzitásoknál csökkentette a drága erősítőoptika súlyos károsodását

4 Plazmába lézerfényt fókuszálva a gyorsítóenergia óriási mértékben megnövekszik. T. Tajima, J. M. Dawson: Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979) Wcm -2 lézer 100 GeV/m gradiens gyorsítóteret kelt. (Hagyományos gyorsítók gyorsítóterének felső korlátja: 20 MV/m)

5 CPA Chirped Pulse Amplification. (nyújtás-rövidítés) M. D. Perry, G. Mourou: Science 274, 917, (1994). Femto-szekundomos impulzus-összenyomó (csörpölt) tükrök. Szipőcs R. Ferencz K. Spielman Ch. Krausz F. Optic Letters 19, , (1994).

6 Az I > W/cm 2 intenzitású lézerek két fontos gyakorlati alkalmazási lehetősége: Fúzió az ionok direkt lézergyorsításával Az ionok egy Wcm -2 intenzitású lézerplazma terében oszcillálva, ~ 80 kev ütközési energiát érnek el (DT fúzió csúcsa s tot ~ 5 barn 100 kev). Fúziós erőmű. Direkt kölcsönhatás az atommaggal Az elektromos tér oszcillációja a mag protonenergiáját Wcm -2 intenzitásnál 2,5 kev-el tolja el, ami az atommag bomlásához vezet. Nukleáris hulladékcsökkentés.

7 2. Fúziós plazmabezárási modellek A plazmafűtőanyag (nagy sűrűség és magas hőmérséklet) bezárásának elérési módszerei: Gravitációs bezárás asztrofizikai környezet. Mágneses bezárás (Tokamak). A plazmában levő Lorentz-térerőn át a külső mágnes tér gátolja a forró plazma kialakulását. Kis részecskesűrűség: m -3 Nagy lineáris méret: 0,1-10 m. Inerciális bezárás (lézer). Nincs gát. A bezárás és a részecske tehetetlenségi (inercia) ideje azonos. Részecskesűrűség: m -3. Kis plazmasugár: μm. htpp://rmki.kfki.hu/~zoletnik Fúziós energia és technológia

8 Kapszula (hohlraum) és a DT cseppecske (UCRL , December 30, 2001) Indirekt fúzió, a kapszulát fűtik fel 2-3 millió K -ra a gyújtáshoz Direkt fúzió: 2 mm Ø gömb; Be-Cu héj (sárga körgyűrű), 0,2 mm DTjég (zöld körgyűrű), sűrűsége: 0,25g/cm 3, belső DT-gáztér (fehér körlap), sűrűsége: 10-4 g/cm 3. Néhány mikrométerre összenyomás utáni gyújtás (jobboldali kép).

9 A gyors direktfúzió animációja Belövés kompresszió gyújtás robbanás (ns-ps) Szimmetrikus kis-e lézerek lökéshullámai 1000x-ére nyomják a gömbsűrűségét. Hőmérsékletét több tízmillió fokra emelve. Egy erősebb lézer gyújtja a fúziót, s az óriási hőenergiát a hűtőközegek árammá alakítják. A módszer világrekord szintre, emeli a fúziósenergia előállítását és tizedére csökkenti a költségeket.

10 3. Lézer-fúziós erőművek főbb egységei. KOYO-F reaktor-modul keresztmetszeti nézete (Norimhatsu et al. FT/P5-39 ) 32 összenyomó, egy gyújtólézer, és két target belövő. A TD golyócska, középen, 150 nagyítású. 1 blokk: 916 MW th 300 MW e, 4 blokk: 1200 MWe. Folyékony Li, (V-4, Cr-4, Ti szerkezeti anyag),

11 High Power laser Energy Research facility (HiPER) 2007; 10 ps, 70 kj, 4 PW, kisteljesítményű összenyomó lézerek. Program ind.: Konstrukciós fázis. 2011/12 év, koncepció ellenőrzése. Költség: 1/10 NIF. Erősítés: NIF 20/4 kj, Q = 5; HiPER: 25000/270 kj Q ~ 90. Résztvevők, Európa 10 ország (28 int.): UK (6); Cseh (2); Francia (3); Görög (3); Lengyel (1); Német (5); Olasz (3); Orosz (2); Portugál (2); Spanyol (1). Amerika: USA (2); Kanada (1). Ázsia: Japán (1); Dél Korea (1); Kína.

12 Laser Inertial Fusion Energy, LIFE program (8 laboratórium, 4 egyetem, 6 vállalat, US)*

13 Néhány berendezés és erőmű látképe NIF, LLNL, USA LMJ, CESTA, Bordeaux, France SG-III, Menyang, CAEP, Kína KOYO-F, Japán Erőmű OMEGA-EP, LLE, Rochester US ISKRA-5" laser kamra, Orosz O.

14 4. A nukleáris folyamatok fúziós erőműi hatásai és sugárvédelmi aspektusaik. 3 H( 2 H,n,γ) 4 He (3,5) +n (14,1) + γ (16,7) MeV g(16,7 MeV) 3/2 + -0,9 MeV Q=17,6 MeV n(14,1 MeV) α(3,5 MeV) 4 He n 5 He γ (16,7 MeV) 3/2 - G g /G n = : reakcióból 2 γ 16,7 keletkezik

15 1000 MW th erőmű Y n, Y g, Y n,g és Y fn hozamainak becslései: Alapadatok, 1 DT: Q = 17,6 MeV = 2, Ws; Γ γ /Γ n = ; s[ 12 C(n,g) 13 C] 10-4 s[ 13 C(g,n) 12 C] (tükörreakció). Y n = 10 9 MW/ 2, Ws = 3, n/s Y g = , = 0, g/s (16,7 MeV) Y n,g = , = 3, g/s (>10 MeV) ~ 4, g/s Y fn = n/s (a g-abszorpció ~3 %-a kelt fotoneutronokat)

16 Trícium keletkezése a fúziós reaktor PbLi eu ( 7 Li 92,5% ; 6 Li 7,5% ) hűtőfolyadékában Magreakciók: 7 Li(n, n a) 3 H; n ef = 3,9MeV s ef = 3, cm 2 = 0,328 barn. Y ITER : 2-3 kg T/év, DEMO: 4-10 kg T/év 6 Li(n,a) 3 H; s = 950 barn, ami termikus neutronokra, 100 kev-ig 1/v szerint változik. A rezonanciaérték 240 kev-nél van. Potenciális probléma: t/év T-t tartalmazó nehézfém hulladék is keletkezik. Lítium-7 n Lítium-6 n Hélium-4 Trícium n Hélium-4 Trícium

17 1000 MW e fúziós erőmű trícium, deutérium igényei és költségeik T és D igény/év: 10 9 Ws = J; 1 mol TD: , , =1, J /1, ~ mol ~ 60 kg T; 40 kg D Trícium kínálati árak: L. J. Wittenberg UWFDM-871, (1991). A fúziós reaktorokban Li-al termelt T ára: /g. Scott Wilms, LANL Atomreaktorokban: Régi DOE ár: /g; A 2003-s Kanadai ár: /g; A várható USA ár: /g. 60 kg T ára: 12 M ; 40 kg D ára: kwó áram DT költsége =0,033 = 3,3 cent.

18 A kanadai CANDU reaktorok által termelt trícium készletek valószínű alakulása. T(kg) év Fenti 22 CANDU reaktor mellett további 12 más típusú reaktor is termel tríciumot.

19 USA T-termelésének a rövid története : Csak atomreaktorokban folyik T-termelés : Új termelési módszerek keresése. 1979: Three Mile Island reaktor baleset 1986: Csernobil katasztrófa. 1987: N, C típusú reaktorok leállítása. 1988: K, L, P típusú reaktorok leállítása. 1889: K-reaktor (Pu) felújítása, új MHTG, HWR, LWR reaktorok tervezése 1990: MHTG és HWR reaktort választották. 1991: Katonai választás, csak a K-reaktor ben 1,5 Mrd $-t költöttek, az NPR program helyett. 1993: K-reaktor törölve. 1995: APT elsődleges választás és a CLWR támogatása. 2003: Az elérhető T mennyisége: 18,5 kg 2011: A termelés a START II. dátumok szerint újraindul.

20 Összefoglalás Bemutattuk, hogy a lézerrel hajtott fúziós erőművek rutinszerű elterjedésének nincsenek műszaki akadályai. A szerkezeti anyagok megválasztása, a trícium kellő mértékű biztosítása még komoly erőfeszítést igényel. De a fúziót követő másodlagos folyamatok nyomon követése is számos sugárvédelmi problémát felvet. Egyik főfeladat a DT fúzió foto-nukleáris effektusainak sugárvédelmi ellenőrzési módszereinek a kidolgozása. A személy és környezetvédelemben különösen a trícium nyomon követése, folyamatos mérése, az ínkorporáció bizonylatolása a másik fontos feladat. Kívánatos lenne az is, hogy a kereskedelmi fúziós erőművek - ma évre prognosztizált - várható megjelenésekor már ezekben a kérdésekben is jól képzett szakember gárdával rendelkezzünk.

21 Szeretném remélni azt is, hogy a HiPER lézer programot megvalósító konzorciumban, a 7 EUtagállam (Cseh, Francia, Görög,Olasz, Portugál, Spanyol és UK.) mellett hazánk is szerephez jut. Remélem, hogy fiatal sugárvédelemi kutatóink részt vesznek még számos itt nem említett részlet feltárásában, s így is segítik a környezet védelemét, a tisztább lézerrel hajtott, fúziós erőművek minél hathatósabb fejlesztésével. Köszönöm a figyelmüket